压差对于调节阀调节特性影响分析

杜建莉

【摘 要】分析了调节阀压差对调节阀流量特性的影响，针对如何较好保证调节阀调节品质，对调节阀压差提出建议。

【关键词】调节阀 压差 流量特性

1.前言

在工艺过程控制系统中，带调节阀的控制回路随处可见。调节阀对于工艺过程控制的重要性不言而喻。对于调节阀计算选型，其中一个很重要的工艺参数就是调节阀的阀前和阀后压差。

从自动控制的角度来考虑，调节阀应该具有较大的压差。这样选出来的调节阀，其实际工作性能比较接近理想工作性能，调节阀的调节品质较好，过程容易控制。但是，如果工艺所提压差偏大，最终选用的调节阀口径就会偏小。一旦管系压降比计算值大或相当，调节阀口径无法增大进而无法降低压差，就无法起到正常的调节作用。

从工艺系统的角度来考虑，调节阀应该具有较小的压差。这样选出来的调节阀，可以减少系统压力损失。但是，如果选择的压差偏小，最终选用的调节阀口径就会偏大。另外，由于调节阀压差在管系总压降中所占比例过小，调节阀的工作特性无法接近理想工作特性，调节阀的调节品质不好，过程难于控制。同时调节阀口径偏大，既是调节阀能力的浪费，成本的增加，而且调节阀长期处于小开度运行，流体对阀芯和阀座的冲蚀作用严重，缩短调节阀的使用寿命。

因此，既要满足工艺过程控制，使调节阀达到一个较高的调节品质，又可以节能降耗、经济合理，调节阀压差对于阀门选型计算尤为重要。

2. 存在问题

在调节阀选型时，我们经常提到一些流量特性曲线，例如直线流量特性、等百分比流量特性、快开特性及抛物线特性。其中直线特性和等百分比特性在工程中的应用最为广泛。调节阀在理想流量特性曲线下的调节品质最高，调节过程也最可控。而在实际中，调节阀并不可能完全按照理想流量特性进行调节，其中一个重要的因素就是调节阀的压差。本文就主要目的就是分析压差是如何影响调节阀流量特性以及如何让调节阀实际流量特性接近理想流量特性的，从而使调节阀达到一个较好的调节品质。

3.调节阀相关的基本概念

3.1调节阀的工作原理

流经调节阀的流量有如下关系：

Q=AV * =C

其 中：

Q——流量

A——接管面积

V——介质流速

P1——阀前压力

P2——阀后压力

K­——阻力系数

ρ——介质密度

C——流通能力Cv

其中，A为定值，当P₁-P₂不变时，流量随K值变化，而K值是随调节阀的开度发生变化的。因此调节阀是通过改变开度，使阻力系数K值发生变化，来达到调节流量目的的。Cv值为调节阀选型的一个重要参数，即阀门流通能力，为调节阀的基本特性。

3.2调节阀的理想流量特性

3.2.1.直线流量特性

当调节阀单位相对开度变化引起的相对流量变化是一个常数时，称调节阀具有直线流量特性。

直线流量特性的调节阀，其开度变化相同时，流量变化也是相同的。一般调节阀，理想可调比R=30时，直线流量特性调节阀的相对流量随相对开度的变化情况如图2中的直线(1)所示。

3.2.2等百分比流量特性

当调节阀单位相对开度变化引起的相对流量变化与此点的相对流量成正比时，称调节阀具有等百分比流量特性。

等百分比流量特性的调节阀，其开度变化百分比相同时，流量变化百分比也相同。对于一般调节阀，理想可调比R=30时，等百分比流量特性调节阀的相对流量随相对开度间的变化情况如图2中的曲线(2)所示。

3.2.3快开流量特性

当调节阀单位相对开度变化引起的相对流量变化与此点的相对流量成反比时，称调节阀具有快开流量特性。

快开流量特性的调节阀，开度较小时，对应流量就比较大，在其开度范围内，随着开度增加，流量很快达到最大，开度再增加时，流量变化幅度很小以至于不变。对于一般调节阀，理想可调比R=30时，快开流量特性调节阀的相对流量随相对开度间的变化情况如图2中的曲线(3)所示。

3.2.4抛物线流量特性

当调节阀单位相对开度变化引起的相对流量变化与此点相对流量的平方根成正比时，称调节阀具有抛物线流量特性。

抛物线流量特性的调节阀，其开度变化时，流量介于直线流量特性和等百分比流量特性之间变化。对于一般调节阀，理想可调比R=30时，抛物线流量特性调节阀的相对流量随相对开度间的变化情况如图2中的曲线(4)所示。

3.2.5几种流量特性的比较

• 对于直线流量特性，相同的开度变化，流量变化ΔQ是相同的，那么在小流量时，ΔQ/Q操作点大，操作灵敏不易控制；大流量时，ΔQ/Q操作点小，操作平稳易于控制。因此，直线流量特性调节阀适合于负荷变化小的场合。

• 对于等百分比流量特性，相同的开度变化，小开度时流量变化ΔQ小；大开

度时流量变化ΔQ大。因此，等百分比流量特性调节阀适合于负荷变化大的场合。

• 对于快开流量特性，随开度变大，流量很快达到最大，开度再增加时，流量变化幅度很小以至于不变。因此，快开流量特性调节阀不适合于调节流量，但适合于在双位控制或程控场合中使用。

• 抛物线流量特性，其特性曲线介于直线流量特性和等百分比流量特性之间，而且接近于等百分比流量特性。因此常用等百分比流量特性调节阀来代替抛物线流量特性调节阀。

因此，我们经常用到的是直线流量特性调节阀和等百分比流量特性调节阀。

3.3调节阀的实际流量特性

由于调节阀都是安装在管路上，在系统总压降一定的情况下，当流量发生变化时，管路压降在变化，调节阀压差也在发生变化。因此调节阀压差变化时，得到的流量特性为实际流量特性。在考虑实际流量特性时，需要考虑调节阀的压差与系统总阻力降的比值，当阀门开度为100%时，该比值即为阀阻比S。调节阀的实际流量特性不但和调节阀的相对开度有关，而且与调节阀的阻比S有关。

目前，大多数工程调节阀设置形式如图3所示。

图3 调节阀安装位置典型图

S

对于安装在实际管路中R=30的调节阀，当调节阀阻比发生变化时，其实际性能曲线的变化趋势如图4所示。

从图4可见：

• 当调节阀阻比S=1时，即管道阻力为零，系统的总压降全部落在调节阀上，此时实际流量特性和理想流量特性是一致的。

• 随着调节阀阻比S的减小，即管道阻力增加，调节阀最大流量比管道阻力为零时理想最大流量要小，可调比在缩小。

• 随着调节阀阻比S的减小，实际流量特性偏离理想流量特性，S越小偏离程度越大。

因此，随着调节阀阻比S的减小，实际流量曲线偏离理想流量曲线，可调比在缩小，可调节范围在变窄。反之则说明，为了保证调节阀具有较好的调节性能，调节阀要求有一定的压差。在实际应用中，为保证调节阀具有较好的调节性能，避免调节阀实际特性发生畸变，一般希望调节阀阻比S≥0.3。

根据图4和试验测试，调节阀阻比S对调节阀特性的影响结果如下表所示：

阻比S	1~0.6		0.6~0.3		<0.3
调节阀 理想特性	直线	等百 分比	直线	等百 分比	直线	等百 分比
调节阀 实际特性	接近 直线	等百 分比	近似 直线	等百 分比	快开	直线
调节性能	好		较好		很差，不适宜调节

综合兼顾控制和工艺两方面要求，一般S=0.3~0.5。

另外还有一些特殊情况如：高压减至低压时，S很容易在0.5以上。虽然S越大越好，但有时压差很大，容易造成调节阀冲蚀。

图4 调节阀实际流量特性曲线

4结论与建议

从某种程度上来说，控制水平代表了装置的技术水平。随着科学技术的飞速发展，各种工艺装置越来越复杂，调节回路越来越多。对自动化程度要求也越来越高。而调节阀的调节品质就直接影响了整个工程自动控制的投用率，在一些大型的炼化装置，自动控制的投运率已经成为一种考核手段。本文从调节阀的工作原理出发，系统阐述了压差对于调节阀流量特性的影响。为保证调节阀具有较好的调节性能，避免调节阀实际特性发生畸变或者调节阀口径选择不合理，调节阀的阀阻比S需满足一定条件，一般S=0.3~0.5。针对本文所给出的建议，可以在以后的调节阀选型中合理应用。

5参考文献

1. 杨世忠,邢丽娟. 调节阀流量特性分析及应用选择2006.

2. 陆德民,张振基,黄步余.石油化工自动控制设计手册（第三版）.化学工业出版社.2015.

3. 吴忠仪表调节阀产品选型手册.2016.

4. Fisher控制阀手册,第四版.2005.

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